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Articulo de referencia

Carburo de tungsteno

+ ≡C − )\n| EC_number = 235-123-0\n| ChemSpiderID = 2006424\n| RTECS = YO7250000\n| UNNumber = 3178\n| DTXSID = DTXSID4029305\n| SMILES = [C-]#[W+]\n| SMILES_Comment = (W + ≡C −...

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El carburo de tungsteno ( fórmula química : W C ) es un carburo que contiene partes iguales de átomos de tungsteno y carbono . En su forma más básica, el carburo de tungsteno es un polvo gris fino, pero se puede prensar y moldear mediante sinterización [ 7 ] para su uso en maquinaria industrial , instalaciones de ingeniería, [ 8 ] bloques de moldeo , [ 9 ] herramientas de corte , cinceles , abrasivos , balas perforantes y joyería .

El carburo de tungsteno es aproximadamente tres veces más rígido que el acero , con un módulo de Young de aproximadamente 530–700  GPa, [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] y es dos veces más denso que el acero. Es comparable con el corindón (α- Al 2 O 3 ) en dureza , acercándose a la del diamante, [ 7 ] y solo se puede pulir y acabar con abrasivos de dureza superior como el nitruro de boro cúbico y el diamante. Las herramientas de carburo de tungsteno pueden operar a velocidades de corte mucho mayores que el acero rápido (una aleación especial de acero para herramientas de corte). [ 7 ]

El polvo de carburo de tungsteno fue sintetizado por primera vez por Henri Moissan en 1893, y la producción industrial de la forma cementada comenzó entre 20 y 25 años después (entre 1913 y 1918). [ 10 ]

Nomenclatura

Coloquialmente, entre los trabajadores de diversas industrias (como la del mecanizado ), al carburo de tungsteno se le suele llamar simplemente carburo.

Síntesis

Polvo

El polvo de carburo de tungsteno se prepara mediante la reacción de tungsteno metálico (o en polvo) y carbono a 1400–2000  °C. [ 13 ] Otros métodos incluyen un proceso de lecho fluidizado a menor temperatura que hace reaccionar tungsteno metálico (o en polvo) o WO 3 azul con una mezcla de gases CO / CO 2 y gas H 2 entre 900 y 1200 °C. [ 14 ] 

El WC también se puede producir calentando WO3 con grafito , ya sea directamente a 900  °C o en hidrógeno a 670  °C, seguido de carburación en argón a 1000  °C. [ 15 ] Los métodos de deposición química en fase vapor que se han investigado incluyen: [ 13 ]

WCl 6 + H 2 + CH 4 → WC + 6 HCl
WF 6 + 2 H 2 + CH 3 OH → WC + 6 HF + H 2 O

Forma cementada

El carburo de tungsteno sólido se prepara utilizando técnicas de metalurgia de polvos desarrolladas en la década de 1920. [ 7 ] El carburo de tungsteno en polvo se mezcla con otro metal en polvo, generalmente cobalto (alternativas incluyen níquel y hierro [ 10 ] ), que actúa como aglutinante . [ 7 ] La mezcla se prensa y luego se sinteriza calentándola a temperaturas de 1400 °C (2550 °F) a 1600 °C (2910 °F) ; el aglutinante se funde, humedece y disuelve parcialmente los granos de tungsteno, uniéndolos. [ 7 ] Los compuestos de cobalto-tungsteno se conocen específicamente por varios nombres comerciales, incluidos Widia y Carboloy. [ 7 ]    

Propiedades químicas

Existen dos compuestos bien caracterizados de tungsteno y carbono: el carburo de tungsteno (WC) y el semicarburo de tungsteno ( W₂C ) . Ambos compuestos pueden estar presentes en los recubrimientos y sus proporciones pueden depender del método de recubrimiento. [ 16 ]

Otro compuesto metaestable de tungsteno y carbono se puede crear calentando la fase WC a altas temperaturas mediante plasma y luego enfriándola en gas inerte (esferoidización por plasma). [ 17 ] Este proceso provoca la esferoidización de partículas macrocristalinas de WC y da como resultado la fase no estequiométrica de alta temperatura W 1− x que existe en forma metaestable a temperatura ambiente. La microestructura fina de esta fase proporciona una alta dureza (2800 – 3500 HV) combinada con una buena tenacidad en comparación con otros compuestos de carburo de tungsteno. La naturaleza metaestable de este compuesto resulta en una estabilidad reducida a altas temperaturas.

A altas temperaturas, el WC se descompone en tungsteno y carbono, y esto puede ocurrir durante la pulverización térmica a alta temperatura , por ejemplo, en los métodos de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) y plasma de alta energía (HEP). [ 18 ]

La oxidación del WC comienza a 500–600 °C (773–873 K) . [ 13 ] Es resistente a los ácidos y solo es atacado por mezclas de ácido fluorhídrico / ácido nítrico (HF/ HNO 3 ) por encima de la temperatura ambiente. [ 13 ] Reacciona con gas flúor a temperatura ambiente y cloro por encima de 400 °C (673 K) y es inerte al H 2 seco hasta su punto de fusión. [ 13 ] El WC finamente pulverizado se oxida fácilmente en soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno . [ 19 ] A altas temperaturas y presiones reacciona con carbonato de sodio acuoso formando tungstato de sodio , un procedimiento utilizado para la recuperación de chatarra de carburo cementado debido a su selectividad.    

Propiedades físicas

El carburo de tungsteno tiene un punto de fusión alto de 2780 °C (3050 K) , un punto de ebullición de 6000 °C (6270 K) bajo una presión equivalente a 1 atmósfera estándar (101,325 kilopascales) , [ 3 ] una conductividad térmica de 110 W/(m·K), [ 4 ] y un coeficiente de expansión térmica de 5,5 μm/m·K. [ 10 ]      

El carburo de tungsteno es extremadamente duro, con una dureza de aproximadamente 9,0–9,5 en la escala de Mohs y un número Vickers de alrededor de 2600. [ 11 ] Tiene un módulo de Young de aproximadamente 530–700  GPa, [ 4 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] un módulo volumétrico de 379–381  GPa, [ 20 ] y un módulo de cizallamiento de 274  GPa. [ 21 ] Tiene una resistencia a la tracción máxima de 344  MPa, [ 12 ] una resistencia a la compresión máxima de aproximadamente 2,7  GPa y una relación de Poisson de 0,31  . [ 21 ]

La velocidad de una onda de presión longitudinal (la velocidad del sonido ) a través de una varilla delgada de carburo de tungsteno es de 6220  m/s. [ 22 ]

La baja resistividad eléctrica del carburo de tungsteno, de aproximadamente 0,2  μΩ·m, es comparable a la de algunos metales (por ejemplo, el vanadio , 0,2  μΩ·m). [ 13 ] [ 23 ]

El WC es fácilmente humedecido tanto por níquel fundido como por cobalto . [ 24 ] La investigación del diagrama de fases del sistema WC-Co muestra que el WC y el Co forman un eutéctico pseudo binario . El diagrama de fases también muestra que existen los llamados carburos η con composición (W,Co) 6 C que pueden formarse y la fragilidad de estas fases hace que el control del contenido de carbono en los carburos cementados de WC-Co sea importante. [ 24 ] En presencia de una fase fundida como el cobalto, se sabe que ocurre un crecimiento anormal del grano en la sinterización del carburo de tungsteno, lo que tiene efectos significativos en el rendimiento del material del producto.

Estructura

Carburo de tungsteno α en la celda unitaria
Estructura α-WC, los átomos de carbono son grises. [ 5 ]

Hay dos formas de WC, una forma hexagonal , α-WC ( hP2 , grupo espacial P 6 m2, No. 187), [ 5 ] [ 6 ] y una forma cúbica de alta temperatura, β-WC, que tiene la estructura de sal de roca . [ 25 ] La forma hexagonal se puede visualizar como compuesta por una red hexagonal simple de átomos de metal de capas que se encuentran directamente una encima de la otra (es decir, no están compactadas), con átomos de carbono llenando la mitad de los intersticios, lo que da tanto al tungsteno como al carbono una coordinación prismática trigonal regular , 6. [ 6 ] A partir de las dimensiones de la celda unitaria [ 26 ] se pueden determinar las siguientes longitudes de enlace: La distancia entre los átomos de tungsteno en una capa empaquetada hexagonalmente es de 291 pm, la distancia más corta entre átomos de tungsteno en capas adyacentes es de 284 pm, y la longitud del enlace tungsteno-carbono es de 220 pm. Por lo tanto, la longitud del enlace tungsteno-carbono es comparable al enlace simple en W(CH 3 ) 6 (218 pm) en el que hay una coordinación prismática trigonal fuertemente distorsionada del tungsteno. [ 27 ]  

Se ha investigado el WC molecular y esta especie en fase gaseosa tiene una longitud de enlace de 171 pm para 184W 12C. [ 28 ]​

Aplicaciones

Herramientas de corte para mecanizado

Brocas y fresas de carburo cementado

Las herramientas de corte de carburo de tungsteno - cobalto sinterizado son muy resistentes a la abrasión y también pueden soportar temperaturas más altas que las herramientas estándar de acero rápido (HSS). Las superficies de corte de carburo se utilizan a menudo para el mecanizado de materiales duros como el acero al carbono o el acero inoxidable , y en aplicaciones donde las herramientas de acero se desgastarían rápidamente, como la producción de alta cantidad y alta precisión. Debido a que las herramientas de carburo mantienen un filo de corte afilado mejor que las herramientas de acero, generalmente producen un mejor acabado en las piezas, y su resistencia a la temperatura permite un mecanizado más rápido. El material generalmente se denomina carburo cementado , carburo sólido, metal duro o carburo de tungsteno-cobalto. Es un compuesto de matriz metálica , donde las partículas de carburo de tungsteno son el agregado y el cobalto metálico sirve como matriz. [ 29 ] [ 30 ] Se ha descubierto que las propiedades de desgaste y oxidación del carburo cementado se pueden mejorar reemplazando el cobalto por aluminuro de hierro. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] El uso de hierro también reduce el costo, ya que el cobalto es particularmente caro, pero la mezcla se realiza mejor con mezcla acústica resonante. [ 34 ]

Munición

El carburo de tungsteno, en su forma monolítica sinterizada, o mucho más a menudo en compuesto cementado de carburo de tungsteno y cobalto (véase más arriba), se utiliza frecuentemente en munición perforante , especialmente cuando el uranio empobrecido no está disponible o es políticamente inaceptable. Los proyectiles W₂C fueron utilizados por primera vez por los escuadrones de cazacarros de la Luftwaffe alemana en la Segunda Guerra Mundial . Sin embargo, debido a las limitadas reservas alemanas de tungsteno, el material W₂C se reservó para la fabricación de máquinas herramienta y un número reducido de proyectiles . Es un penetrador eficaz debido a su combinación de gran dureza y muy alta densidad. [ 35 ] [ 36 ]

La munición de carburo de tungsteno ahora es generalmente del tipo sabot . SLAP, o penetrador de blindaje ligero con sabot , donde un sabot de plástico se desprende en la boca del cañón, es uno de los principales tipos de munición de armas pequeñas con sabot. Las camisas no desechables, independientemente del material de la camisa, no se consideran sabots, sino balas. Sin embargo, ambos diseños son comunes en la munición de armas pequeñas perforante de blindaje ligero designada. Los sabots desechables, como los que se usan en el cañón principal del M1A1 Abrams, son más comunes en la munición de armas de precisión de alta velocidad. [ 37 ] [ 38 ]

Perforación minera y de cimentación

Conjunto de rodillos cónicos tricónicos de un escariador de mandrinado, que muestra los botones de carburo de tungsteno sobresalientes insertados en los rodillos.

El carburo de tungsteno se utiliza ampliamente en la minería en brocas de perforación de roca de martillo superior, martillos de fondo de pozo , cortadores de rodillos , cinceles de arado de pared larga , picos de rozadora de pared larga , escariadores de perforación ascendente y tuneladoras . En estas aplicaciones, también se utiliza para componentes resistentes al desgaste y la corrosión en el control de entrada para filtros de pozos, subconjuntos, anillos de sellado y bujes comunes en la perforación de petróleo y gas. [ 39 ] Generalmente se utiliza como un inserto de botón, montado en una matriz de acero circundante que forma la sustancia de la broca. A medida que el botón de carburo de tungsteno se desgasta, la matriz de acero más blanda que lo contiene también se desgasta, exponiendo aún más el inserto de botón.

Nuclear

Una base cuadrada de bloques metálicos, con un cuadrado de metal más pequeño en la parte superior central, que contiene un bloque de cobre (el "núcleo") en su centro. Una regla colocada a lo largo de uno de los lados de la base indica aproximadamente 270 mm (10,5 pulgadas) de lado.
Recreación del experimento relacionado con el incidente del núcleo demoníaco de 1945. La esfera de plutonio está rodeada de bloques de carburo de tungsteno que actúan como reflectores de neutrones .

El carburo de tungsteno también es un reflector de neutrones eficaz y, como tal, se utilizó durante las primeras investigaciones sobre reacciones nucleares en cadena, particularmente para armas. El 21 de agosto de 1945, se produjo un accidente de criticidad en el Laboratorio Nacional de Los Alamos cuando Harry Daghlian dejó caer accidentalmente un bloque de carburo de tungsteno sobre una esfera de plutonio , conocida como el núcleo demoníaco , lo que provocó que la masa subcrítica se volviera supercrítica con los neutrones reflejados . Cayó en coma y murió 25 días después del accidente. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]

Uso deportivo

Un neumático de bicicleta Nokian con clavos de carburo de tungsteno. Los clavos están rodeados de aluminio.

Los bastones de trekking , utilizados por muchos excursionistas para mantener el equilibrio y reducir la presión sobre las articulaciones de las piernas, generalmente utilizan puntas de carburo para obtener tracción al colocarlos sobre superficies duras (como la roca); las puntas de carburo duran mucho más que otros tipos de puntas. [ 43 ]

Si bien las puntas de los bastones de esquí generalmente no son de carburo, ya que no necesitan ser especialmente duras ni siquiera para romper capas de hielo, las puntas de los esquís sobre ruedas sí suelen serlo. El esquí sobre ruedas imita el esquí de fondo y muchos esquiadores lo utilizan para entrenar durante los meses cálidos.

Se pueden insertar clavos afilados con punta de carburo (conocidos como espárragos) en las orugas de las motos de nieve . Estos espárragos mejoran la tracción en superficies heladas. Segmentos más largos en forma de V encajan en varillas ranuradas llamadas varillas de desgaste debajo de cada esquí de la moto de nieve. Los bordes de carburo relativamente afilados mejoran la dirección en superficies heladas más duras. Las puntas y segmentos de carburo reducen el desgaste que se produce cuando la moto de nieve debe cruzar carreteras y otras superficies abrasivas. [ 44 ]

Los neumáticos de coche, moto y bicicleta con clavos de carburo de tungsteno proporcionan mejor tracción sobre hielo. Generalmente se prefieren a los clavos de acero debido a su mayor resistencia al desgaste. [ 45 ]

El carburo de tungsteno puede utilizarse en la herrería , el herraje de caballos , para mejorar la tracción en superficies resbaladizas como carreteras o hielo. Se pueden usar clavos para cascos con punta de carburo para fijar las herraduras ; [ 46 ] en Estados Unidos, se pueden soldar virutas de carburo de tungsteno ( boro ) en una matriz de un metal más blando como bronce o acero dulce, a pequeñas áreas de la parte inferior de la herradura antes de su colocación. [ 47 ] : 73

Instrumentos quirúrgicos y médicos

El carburo de tungsteno también se utiliza para fabricar instrumental quirúrgico destinado a cirugía abierta (tijeras, fórceps, pinzas hemostáticas, mangos de bisturíes, etc.) y cirugía laparoscópica (pinzas, tijeras/cortadores, portaagujas, electrocauterios, etc.). Son mucho más costosos que sus homólogos de acero inoxidable y requieren un manejo delicado, pero ofrecen un mejor rendimiento. [ 48 ]

Joyas

Anillo de carburo de tungsteno

El carburo de tungsteno, generalmente en forma de carburo cementado (partículas de carburo soldadas entre sí por metal), se ha convertido en un material popular en la industria de la joyería nupcial debido a su extrema dureza y alta resistencia a los arañazos. [ 49 ] [ 50 ] Incluso con una alta resistencia al impacto, esta dureza extrema también significa que ocasionalmente puede romperse. [ 51 ] Algunos consideran esto útil, ya que un impacto rompería un anillo de tungsteno, quitándolo rápidamente, mientras que los metales preciosos se doblarían y requerirían corte. El carburo de tungsteno es aproximadamente 10 veces más duro que el oro de 18 quilates . Además de su diseño y alto pulido, parte de su atractivo para los consumidores es su naturaleza técnica. [ 49 ] Pueden ser necesarias herramientas especiales, como alicates de bloqueo, si se debe quitar un anillo de este tipo rápidamente (por ejemplo, debido a una emergencia médica después de una lesión en la mano acompañada de hinchazón). [ 52 ]

Otro

Carburo de tungsteno esférico bajo microscopio electrónico de barrido , aumento ×950, laboratorio de materiales

El carburo de tungsteno se utiliza ampliamente para fabricar la bola giratoria en las puntas de los bolígrafos que dispersa la tinta durante la escritura. [ 53 ]

El guitarrista inglés Martin Simpson utiliza un slide de guitarra de carburo de tungsteno hecho a medida , que le proporciona un sustain y un volumen superiores. [ 54 ]

Se ha investigado el carburo de tungsteno por su potencial uso como catalizador y se ha descubierto que se asemeja al platino en su catálisis de la producción de agua a partir de hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente, la reducción de trióxido de tungsteno por hidrógeno en presencia de agua y la isomerización de 2,2-dimetilpropano a 2-metilbutano. [ 55 ] Se ha propuesto como sustituto del catalizador de iridio en los propulsores de satélites alimentados con hidracina . [ 56 ]

Se ha utilizado un recubrimiento de carburo de tungsteno en discos de freno en aplicaciones automotrices de alto rendimiento para mejorar el rendimiento, aumentar los intervalos de servicio y reducir el polvo de los frenos. [ 57 ]

Toxicidad

Los principales riesgos para la salud asociados con el carburo de tungsteno se relacionan con la inhalación de polvo, que conduce a una fibrosis pulmonar similar a la silicosis . [ 58 ] El Programa Nacional de Toxicología de Estados Unidos también prevé que el carburo de tungsteno cementado con cobalto sea un carcinógeno humano . [ 59 ]

Referencias

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Fuentes citadas

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  • Ficha Internacional de Seguridad Química 1320
  • Guía de bolsillo del NIOSH sobre riesgos químicos